海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜述

黃維平，李兵兵

(1.中國(guó)海洋大學(xué)山東省海洋工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，山東青島 266100;2.撫礦工學(xué)院，遼寧撫順 113008)

海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜述

黃維平1，李兵兵2

(1.中國(guó)海洋大學(xué)山東省海洋工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，山東青島 266100;2.撫礦工學(xué)院，遼寧撫順 113008)

針對(duì)我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)建設(shè)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，探討海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題——設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等，分析海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、荷載和服役特點(diǎn)，分析海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與水工結(jié)構(gòu)和海洋石油平臺(tái)設(shè)計(jì)的異同。并根據(jù)海上風(fēng)電和海洋石油的行業(yè)特點(diǎn)，分析API規(guī)范和DNV規(guī)范對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的適用性，闡述了海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特殊性、荷載取值和參考標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題?；谖覈?guó)海洋工程技術(shù)發(fā)展水平和海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，提出發(fā)展適合我國(guó)國(guó)情的海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式及設(shè)計(jì)，指出我國(guó)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)注意和避免發(fā)生的問(wèn)題。

海上風(fēng)電;基礎(chǔ)結(jié)構(gòu);風(fēng)力發(fā)電;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前世界海上風(fēng)電主要集中在歐洲，占全球總裝機(jī)量的99%。自1991年丹麥第一座海上風(fēng)電場(chǎng)建成到2000年的十年中，僅完成了31.45 MW的海上風(fēng)電裝機(jī)容量。隨著海上風(fēng)電整機(jī)技術(shù)及風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)技術(shù)的逐步成熟，從2000年到2008年，歐洲海上風(fēng)電裝機(jī)容量年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到37.1%。從歐洲的8個(gè)國(guó)家已有規(guī)劃來(lái)看，到2015年年歐洲海上風(fēng)電裝機(jī)容量將15 000 MW，未來(lái)五年歐洲海上風(fēng)電將進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展期。

雖然我國(guó)陸上風(fēng)電場(chǎng)已開(kāi)始大規(guī)模運(yùn)行，但目前尚缺乏海上風(fēng)電大規(guī)模運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，且海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)成本及運(yùn)行成本與陸上風(fēng)電差別較大。海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)期成本中的基礎(chǔ)建設(shè)、并網(wǎng)接線等費(fèi)用在總投資成本中所占份額要高于陸上風(fēng)電場(chǎng);營(yíng)運(yùn)期維修費(fèi)用和折舊費(fèi)用占營(yíng)運(yùn)成本比例遠(yuǎn)高于陸上風(fēng)電場(chǎng)。根據(jù)國(guó)外多個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)投資的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，海上風(fēng)電場(chǎng)投資成本一般在1 700～2 000歐元/kW之間(陸上風(fēng)電場(chǎng)投資成本在1 000歐元/kW左右)。由于丹麥海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)起步較早，積累了較多的經(jīng)驗(yàn)，在技術(shù)和安裝設(shè)備方面也相對(duì)比較成熟，所以，他們的建設(shè)成本比平均水平略低，而英國(guó)的兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的平均單位千瓦成本則高達(dá)2 722歐元和4 100歐元。

因此，發(fā)電成本是海上風(fēng)電發(fā)展的瓶頸，研究表明，按照目前的技術(shù)水平和20年設(shè)計(jì)壽命計(jì)算，海上風(fēng)電的發(fā)電成本約合人民幣0.42元/kWh。而影響海上風(fēng)電成本的主要因素是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)成本(包括制造、安裝和維護(hù))。目前，海上風(fēng)電場(chǎng)的總投資中，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)占15% ～25%，而陸上風(fēng)電場(chǎng)僅為5% ～10%［1-2］。因此，發(fā)展低成本的海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是降低海上風(fēng)電成本的一個(gè)主要途徑。

隨著東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)投入運(yùn)行，我國(guó)的海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)開(kāi)始了大規(guī)模的商業(yè)化開(kāi)發(fā)建設(shè)。目前，國(guó)內(nèi)所有沿海省份和相關(guān)的能源企業(yè)都在緊鑼密鼓地進(jìn)行海上風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃和開(kāi)發(fā)準(zhǔn)備。但是，我國(guó)的海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)建設(shè)的技術(shù)水平和施工能力不能滿足海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)建設(shè)的需要。由于缺乏經(jīng)驗(yàn)和行業(yè)壁壘等技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的因素，我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)的進(jìn)展并不是一帆風(fēng)順的。與海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展相比，基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展不能滿足海上風(fēng)電廠發(fā)展的需要。目前，中國(guó)船級(jí)社已經(jīng)開(kāi)展了海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的安全認(rèn)證工作，標(biāo)志著我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)步入了專業(yè)化管理的軌道。為此，這里對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念、方法和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析和闡述，以促進(jìn)我國(guó)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

1 設(shè)計(jì)理念

1.1 海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和作用與淺海石油開(kāi)發(fā)的采油平臺(tái)相同，都是為生產(chǎn)設(shè)備營(yíng)造一個(gè)“陸地”環(huán)境，而且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和采油樹(shù)也都是占地較小(與碼頭的堆場(chǎng)相比)的單體設(shè)備，因此，海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與淺海采油平臺(tái)具有很多相似的特點(diǎn)。如獨(dú)立矗立于水中的小型單體結(jié)構(gòu)，沒(méi)有棧橋或其它方式與陸地連接。盡管人類首次嘗試開(kāi)發(fā)海洋石油時(shí)，曾采用棧橋方式從陸地向海中延伸，但隨著離岸距離而主要是投資成本的增加，這種平臺(tái)形式很快就被獨(dú)立的平臺(tái)所替代。因此，除了海洋環(huán)境之外，海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與水工結(jié)構(gòu)是完全不同的。

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是支撐在高聳的塔架上的，且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重量和體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于石油生產(chǎn)設(shè)備，因此，與淺海石油平臺(tái)相比，海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所需提供的“陸地”(甲板)面積更小。因此，國(guó)外海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的發(fā)展就是直接借鑒了海洋石油平臺(tái)的概念，如重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(圖1(a))的概念來(lái)源于重力式海洋石油平臺(tái)(圖1(b));三角架結(jié)構(gòu)(圖2(a))來(lái)源于邊際油田的簡(jiǎn)易石油平臺(tái)(圖2(b));導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)(圖3(a))則是典型的固定式海洋石油平臺(tái)(圖3(b));三種浮式海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(圖4)也完全是借鑒深水浮式海洋石油平臺(tái)的半潛式、張力腿和Spar平臺(tái)(圖5)。

圖1 重力式結(jié)構(gòu)Fig.1 Gravity structure

圖2 三樁結(jié)構(gòu)Fig.2 Tri-pile structure

圖3 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)Fig.3 Jacket structure

基于上述分析可知，海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的功能和服役特點(diǎn)與海洋石油平臺(tái)相似，而與水工結(jié)構(gòu)相差較大。在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)荷載和海洋環(huán)境荷載的組合作用下，海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)是主要的荷載響應(yīng)形式。在滿足結(jié)構(gòu)功能要求(風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常工作)的條件下，海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不是主要的失效控制指標(biāo)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的主要失效形式是疲勞破壞。因此，疲勞壽命是海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制參數(shù)。而疲勞問(wèn)題在水工結(jié)構(gòu)(包括水工鋼結(jié)構(gòu))的設(shè)計(jì)中是次要因素甚至是可以忽略的因素。

圖4 浮式海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)Fig.4 Floating structures for offshore wind farm

圖5 浮式海洋平臺(tái)Fig.5 Floating structure for oil＆ gas exploration

1.2 海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的荷載

海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的荷載包括風(fēng)荷載和海洋環(huán)境荷載，其中的風(fēng)荷載不同于建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載，其靜力作用對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于動(dòng)力作用。動(dòng)力作用包括兩部分——風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)荷載和水面上結(jié)構(gòu)的空氣動(dòng)力荷載，這些荷載通過(guò)塔架與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的連接傳遞到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上。因此，海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載與海洋石油平臺(tái)的風(fēng)荷載是不盡相同的。

圖6 風(fēng)輪機(jī)荷載示意Fig.6 Loads of wind turbine

風(fēng)輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)荷載是由風(fēng)和風(fēng)機(jī)葉片相互作用產(chǎn)生的，如圖6所示?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力特性有較大的影響。計(jì)算風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)荷載時(shí)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型作為系統(tǒng)氣動(dòng)彈性模型的一部分是非常重要的，它不僅影響基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載，而且影響系統(tǒng)其它組成部分的設(shè)計(jì)荷載［3］。極端響應(yīng)是海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要變量，它包括葉片的拍向彎矩和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的傾覆力矩，極端響應(yīng)的概率分布符合韋伯分布［4］。

作用在塔架上的風(fēng)荷載也是主要的荷載形式之一，當(dāng)風(fēng)速低于切入風(fēng)速和高于切出風(fēng)速時(shí)，風(fēng)荷載將全部作用在塔架上并傳遞給基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，包括定常風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速引起的拖曳力以及渦激作用力。

浪流荷載是直接作用在海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的海洋環(huán)境荷載，除導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)外，其它形式的結(jié)構(gòu)還應(yīng)考慮海流引起的脈動(dòng)拖曳力和渦激升力。當(dāng)海流與風(fēng)荷載同向時(shí)，海流的脈動(dòng)拖曳力和渦激升力與風(fēng)作用在塔架上脈動(dòng)拖曳力和渦激升力將引起結(jié)構(gòu)的耦合振動(dòng)。波浪荷載是海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的主要海洋環(huán)境荷載，對(duì)于水深較淺的海上風(fēng)電場(chǎng)，波浪荷載的計(jì)算多采用非線性波浪模型，采用線性波模型計(jì)算海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)流體動(dòng)力荷載是不安全的。同時(shí)，還應(yīng)考慮波浪破碎，結(jié)構(gòu)的最大流體動(dòng)力荷載出現(xiàn)在強(qiáng)非線性非破碎波條件下［5-6］。

隨著海上風(fēng)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)機(jī)規(guī)格越來(lái)越大，水深越來(lái)越深，使得傳統(tǒng)固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的一階固有頻率降至0.25～0.35 Hz之間。而一些海浪譜，如瑞典Bockstigen海上風(fēng)電場(chǎng)測(cè)量的海浪譜，其第二個(gè)譜峰頻率約為0.3 Hz，可能引起共振。因此，多頻率成分波浪譜的模擬對(duì)于海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)顯得格外重要。線性波模型不能模擬第二個(gè)譜峰，必須采用非線性波模型［7-8］。

冰荷載是寒區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的主要荷載之一，無(wú)論是靜強(qiáng)度還是疲勞強(qiáng)度，冰的作用都是不容忽視的。如果說(shuō)此前的海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)冰荷載僅僅考慮它的靜力作用是因?yàn)樗呐及l(fā)性且冰期短，那么，近年來(lái)渤海灣的冰情已經(jīng)改變了人們對(duì)海冰發(fā)生的周期性和持續(xù)性的認(rèn)識(shí)，海冰已經(jīng)由偶發(fā)變?yōu)轭l發(fā)，且持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，可達(dá)1～2個(gè)月。因此，海冰荷載不僅是寒區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的控制荷載，也是疲勞設(shè)計(jì)不可忽視的荷載之一。

地震荷載對(duì)于海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)次要荷載，一是它的罕遇性;二是它的持續(xù)時(shí)間短。因此，對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞影響較小。在設(shè)防烈度較高的地區(qū)，可作為設(shè)計(jì)校核的荷載之一，而在低烈度地區(qū)，可不考慮地震荷載的作用。

1.3 海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念

由于海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及其荷載的特殊性，加之目前風(fēng)力發(fā)電與其它經(jīng)濟(jì)形能源之間的巨大投資差異，使得海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念與水工結(jié)構(gòu)和海洋石油平臺(tái)均有較大的區(qū)別。海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念在經(jīng)濟(jì)性和安全性兩方面區(qū)別于海洋石油平臺(tái)，海上風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電成本高于陸上風(fēng)電場(chǎng)和火電廠的發(fā)電成本，因此，海上風(fēng)電場(chǎng)的投資回報(bào)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于海洋石油。但是，海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生事故的損失卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于海洋石油，且發(fā)生事故后對(duì)環(huán)境和社會(huì)造成的不利影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于海洋石油。因此，經(jīng)濟(jì)性是海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要控制指標(biāo)之一，是海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念與海洋石油平臺(tái)設(shè)計(jì)理念的最大區(qū)別。

就結(jié)構(gòu)的服役特點(diǎn)而言，海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念與水工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念完全不同。海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是小型單體結(jié)構(gòu)，服役期受海洋環(huán)境動(dòng)力荷載的作用將發(fā)生持續(xù)的振動(dòng)，疲勞破壞是結(jié)構(gòu)的主要失效形式，其強(qiáng)度指標(biāo)在結(jié)構(gòu)滿足服役剛度要求的前提下是自然滿足的。疲勞是海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制參數(shù)。而水工結(jié)構(gòu)物屬于大體積的群體結(jié)構(gòu)，如碼頭和水壩，它們甚至與陸地聯(lián)結(jié)成一體，在工作荷載作用下，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問(wèn)題不突出，強(qiáng)度破壞是結(jié)構(gòu)的主要失效形式。強(qiáng)度是水工結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)的控制參數(shù)，包括地震作用下的動(dòng)強(qiáng)度，但地震作用的時(shí)間較短，不會(huì)引起疲勞問(wèn)題。

2 設(shè)計(jì)方法

2.1 風(fēng)機(jī)運(yùn)行荷載的動(dòng)力特性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪機(jī)分為水平軸和垂直軸兩種，而目前商業(yè)化的海上風(fēng)電場(chǎng)主要采用水平軸風(fēng)輪機(jī)。因此，以水平軸風(fēng)機(jī)為例來(lái)闡述風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)荷載的動(dòng)力特性。

風(fēng)機(jī)運(yùn)行的動(dòng)力荷載主要是由風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)和風(fēng)機(jī)偏航以及葉片彎曲振動(dòng)引起的塔頂荷載，風(fēng)機(jī)偏航的角速度很小(Ω≈0.01)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)的一階頻率。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要是風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的荷載頻率。

目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪多為三葉片式，其主要?jiǎng)恿υ吹念l率為1P和3P。如風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為20 rpm，則1P=20/60=0.333 Hz、3P=3×20/60=1 Hz。因此，塔架和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)避開(kāi)這兩個(gè)頻率，工程上一般要求控制在±10%左右，以免發(fā)生共振，如圖7所示［9］(圖中的Ω即為P)。而風(fēng)機(jī)運(yùn)行荷載的動(dòng)力作用1P頻率能量最大，高次諧波的作用較小，圖8是某型號(hào)1.5 MW風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的塔頂動(dòng)荷載功率譜曲線，從圖中可以明顯看出，其主要能量集中在一階頻率。

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)多為柔性塔架，其一階固有頻率一般比較接近風(fēng)輪的激振頻率，高階固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于風(fēng)輪激振頻率的值，不會(huì)發(fā)生高階共振。因此，海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)控制一階固有頻率避開(kāi)風(fēng)輪機(jī)激振頻率。

2.2 海洋環(huán)境荷載的動(dòng)力特性

海洋環(huán)境荷載包括風(fēng)、浪、流、冰和地震。風(fēng)荷載除對(duì)風(fēng)機(jī)的作用引起風(fēng)輪機(jī)掃風(fēng)面積上的阻力荷載和風(fēng)機(jī)運(yùn)行荷載外，還有一部分是作用在塔架上引起順風(fēng)向的拖曳力和垂直于風(fēng)向的渦激升力。由于風(fēng)的脈動(dòng)分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于定常分量，因此，拖曳力的動(dòng)力部分中脈動(dòng)風(fēng)的貢獻(xiàn)較小，一般忽略不計(jì)。而最新研究表明，由于渦旋泄放產(chǎn)業(yè)的脈動(dòng)拖曳力對(duì)于細(xì)長(zhǎng)圓柱體是不容忽視的［10］。因此，風(fēng)荷載的動(dòng)力特性包括順風(fēng)向的脈動(dòng)拖曳力，其頻率隨風(fēng)速和渦激振動(dòng)形態(tài)變化。在非鎖定區(qū)，脈動(dòng)拖曳力和渦激升力的頻率與風(fēng)速的關(guān)系符合修正的Strouhal公式［11］;在鎖定區(qū)，渦激升力的頻率與風(fēng)速的關(guān)系符合修正的Strouhal公式，而脈動(dòng)拖曳力的頻率是渦激升力的兩倍［10］。

波浪荷載是一個(gè)具有多頻率成分的隨機(jī)荷載，通常以有義波高和峰值周期來(lái)表示。波浪譜主要有JONSWAP譜和P-M譜，我國(guó)的渤海灣也采用文氏譜。JONSWAP譜是規(guī)范推薦的設(shè)計(jì)波浪譜，應(yīng)用較為普遍。流荷載的動(dòng)力效應(yīng)與風(fēng)相同，主要是由渦旋泄放引起的。由于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與塔架的結(jié)構(gòu)形式不同，因此，除單樁結(jié)構(gòu)外，其它基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的渦激振動(dòng)問(wèn)題不突出，設(shè)計(jì)時(shí)可以不予考慮。冰荷載的動(dòng)力特性與冰速和冰的強(qiáng)度等因素有關(guān)，還與結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。如果基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用了抗冰設(shè)計(jì)，那么，冰荷載的動(dòng)力特性將發(fā)生很大變化。地震荷載的動(dòng)力特性取決于海上風(fēng)電場(chǎng)所在海域的海床土性質(zhì)，通常采用地震響應(yīng)譜進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖7 水平軸風(fēng)機(jī)振動(dòng)頻響關(guān)系Fig.7 Frequency response of vertical axes wind turbine

圖8 風(fēng)機(jī)運(yùn)行的荷載功率譜Fig.8 Spectrum of wind turbine run

海底沖刷也是海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮的問(wèn)題之一，對(duì)于常規(guī)的重力式結(jié)構(gòu)，沖刷是致命的，因此，常規(guī)的重力式結(jié)構(gòu)不能應(yīng)用于具有沖刷現(xiàn)象的海域。而對(duì)于具有防沖刷設(shè)計(jì)的重力式結(jié)構(gòu)［12-14］和筒型基礎(chǔ)，沖刷也是重要的設(shè)計(jì)荷載之一。對(duì)于樁基結(jié)構(gòu)，沖刷將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度降低，使結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性發(fā)生變化，因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮沖刷效應(yīng)。

2.3 海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

海洋工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法主要有工作應(yīng)力法(WSD)和荷載抗力系數(shù)法(LRFD)，美國(guó)石油學(xué)會(huì)的API規(guī)范推崇工作應(yīng)力法，如API RP 2A，而挪威船級(jí)社的DNV規(guī)范則傾向于使用荷載抗力系數(shù)法，如DNV OS C101。中國(guó)船級(jí)社的CCS規(guī)范采用API的規(guī)范體系，因此，以工作應(yīng)力法為基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)的海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的是工作應(yīng)力法，參考規(guī)范為CCS規(guī)范“淺海固定平臺(tái)規(guī)范”和API規(guī)范“海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦做法工作應(yīng)力法”API RP 2A。2004年，DNV發(fā)布了海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(DNVOS-J101)，這是國(guó)內(nèi)外第一部海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。

工作應(yīng)力法不區(qū)分荷載類型和內(nèi)力性質(zhì)，采用統(tǒng)一的荷載系數(shù)或安全系數(shù)來(lái)計(jì)算荷載效應(yīng)和許用應(yīng)力。而荷載抗力系數(shù)法則根據(jù)不同類型荷載的不確定性大小選擇荷載系數(shù)，并分別計(jì)算出不同性質(zhì)內(nèi)力的抗力，最后組合得到結(jié)構(gòu)的抗力。由于海上風(fēng)電是上世紀(jì)九十年代發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，傳統(tǒng)的海洋工程狹義地指海洋石油工程。所以，海洋工程結(jié)構(gòu)是以海洋平臺(tái)為代表的，其設(shè)計(jì)方法主要是API規(guī)范推薦的工作應(yīng)力法。

海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前仍采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，包括服役極限狀態(tài)(SLS)設(shè)計(jì)、極端極限狀態(tài)(ULS)設(shè)計(jì)、事故極限狀態(tài)(ALS)設(shè)計(jì)和疲勞極限狀態(tài)(FLS)設(shè)計(jì)。前三種極限狀態(tài)均屬于強(qiáng)度設(shè)計(jì)，工作應(yīng)力法的強(qiáng)度設(shè)計(jì)以結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力作為設(shè)計(jì)依據(jù)，采用許用應(yīng)力作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

海洋工程結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)主要有S-N曲線法和斷裂力學(xué)方法，由于斷裂力學(xué)方法是在結(jié)構(gòu)具有初始裂紋的條件下，以計(jì)算裂紋擴(kuò)展至斷裂所需的時(shí)間作為設(shè)計(jì)依據(jù)的，而初始裂紋的估計(jì)完全依賴于人的經(jīng)驗(yàn)，因此，斷裂力學(xué)方法受人為因素的影響較大。結(jié)構(gòu)的疲勞壽命主要取決于裂紋的萌生過(guò)程而不是裂紋的擴(kuò)展速度。因?yàn)榱鸭y的擴(kuò)展過(guò)程是短暫的，所以目前海洋工程結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)仍主要采用S-N曲線法。S-N曲線法是一種基于試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)方法，它采用疲勞損傷線性累計(jì)的假設(shè)，疲勞損傷率的計(jì)算和選擇合適的疲勞曲線是疲勞設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

3 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 環(huán)境荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

環(huán)境荷載及其組合工況是海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，而組合形式取決于結(jié)構(gòu)的屬性。對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和海洋石油平臺(tái)，由于它們所屬的行業(yè)不同，其投資風(fēng)險(xiǎn)和利潤(rùn)、事故損失和社會(huì)危害性均有較大區(qū)別。因此，設(shè)計(jì)荷載及組合工況應(yīng)采用不同的標(biāo)準(zhǔn)。例如，海洋石油的淺水和深水開(kāi)發(fā)裝備所采用的極端荷載重現(xiàn)期分別為50年(海洋平臺(tái)的服役壽命一般為15年，規(guī)范規(guī)定極端荷載的重現(xiàn)期不小于2～3倍的服役壽命［15］)和100年［16］。對(duì)于不同環(huán)境荷載要素的設(shè)計(jì)工況，不同規(guī)范給出了不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于海洋石油平臺(tái)，API規(guī)范建議:當(dāng)某一環(huán)境要素(風(fēng)、浪、流)取50年一遇(固定式平臺(tái))或100年一遇(浮式平臺(tái))時(shí)，其它則取與該環(huán)境要素50年/100年一遇相應(yīng)的重現(xiàn)期的值。由于通常得不到與某一環(huán)境要素50年/100年重現(xiàn)期相應(yīng)的重現(xiàn)期的值，目前的做法是所有環(huán)境要素取相同重現(xiàn)期的值。DNV規(guī)范則建議當(dāng)某一環(huán)境要素取極端荷載每年的超越概率為1%時(shí)，其它則取10%［17］，即一個(gè)要素的重現(xiàn)期取100年，其它取10年。

由于傳統(tǒng)的海洋工程是以海洋石油開(kāi)發(fā)為服務(wù)對(duì)象的，因此，我國(guó)的海洋工程主要采用API規(guī)范體系，而API規(guī)范并沒(méi)有關(guān)于海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)的海洋工程界采用相同重現(xiàn)期的環(huán)境荷載要素組合作為極端極限狀態(tài)的荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用這樣的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)顯然是不合理的，因?yàn)?，海上風(fēng)電的成本是決定性因素，且它的失效損失和對(duì)環(huán)境和社會(huì)造成的影響都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于海洋石油，DNV的海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)將極端極限狀態(tài)的荷載重現(xiàn)期及其組合工況確定為一個(gè)環(huán)境要素取50年而其它要素取5年［18］，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于DNV規(guī)范的海洋石油平臺(tái)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 荷載/安全系數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

荷載系數(shù)和安全系數(shù)是海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)，它的選取主要取決于結(jié)構(gòu)的安全性、材料性能的不確定性、結(jié)構(gòu)失效的危害性和結(jié)構(gòu)檢查修復(fù)的難易程度。對(duì)于淺海石油平臺(tái)，DNV規(guī)范推薦的極端極限狀態(tài)荷載系數(shù)是根據(jù)荷載的性質(zhì)取值的，如永久荷載和變功能荷載的荷載系數(shù)取1.3時(shí)，環(huán)境荷載取0.7;而永久荷載和變功能荷載取1.0時(shí)，環(huán)境荷載取1.3［17］。DNV規(guī)范推薦的安全系數(shù)是根據(jù)荷載的類別取值的，如功能荷載的荷載利用系數(shù)為0.6，即安全系數(shù)為1.67，而最大環(huán)境荷載組合加功能荷載工況的荷載利用系數(shù)可取0.8，則安全系數(shù)為1.25［19］。DNV規(guī)范推薦的疲勞安全系數(shù)根據(jù)桿件的位置取1～3［17］。API規(guī)范推薦的結(jié)構(gòu)(不包括樁的鋼結(jié)構(gòu)部分)安全系數(shù)為1.67～2，疲勞安全系數(shù)大于等于2［15］。對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，DNV規(guī)范推薦的極端極限狀態(tài)荷載系數(shù)為1.25，而疲勞設(shè)計(jì)采用了1.0～1.25的材料系數(shù)放大了應(yīng)力循環(huán)幅，累計(jì)損傷不再乘安全系數(shù)，因此，相當(dāng)于最大的安全系數(shù)為1.25，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于海洋石油平臺(tái)的最大疲勞安全系數(shù)。

由此可見(jiàn)，我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)采用海洋石油平臺(tái)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)結(jié)合我國(guó)的具體情況，參考相關(guān)的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，在兼顧經(jīng)濟(jì)性和安全性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的低成本設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成敗關(guān)系到我國(guó)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)能否持續(xù)穩(wěn)定和健康的發(fā)展，不論是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還是發(fā)展新的結(jié)構(gòu)形式，都必須立足于降低成本，這是發(fā)展海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的唯一出路。今后應(yīng)該把設(shè)計(jì)理念調(diào)整到海上風(fēng)電的設(shè)計(jì)理念，研究并發(fā)展適合我國(guó)國(guó)情的海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，使我國(guó)的海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)走上良性發(fā)展的軌道，并快速穩(wěn)步地發(fā)展。

［1］Martin J unginger，Andre Faaij，Wim C Turkenburg.海上風(fēng)電場(chǎng)降低成本前景分析［J］.上海電力，2007(4):429-437.

［2］黃維平，劉建軍，趙戰(zhàn)華.海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.海洋工程，2009，27(2):130-134.

［3］Rubak R，Petersen J T.Monopile as part of aeroelastic wind turbine simulation code［C］//Proceedings of the Offshore Wind Energy Conference.2005.

［4］Cheng P W，van Kuik G A M，van Bussel G J W，et al.Bayesian analysis applied to statistical uncertainties of extreme response distributions of offshore wind turbines［J］.Wind Engineering，2002，26(3):157-169.

［5］Liang Q H，Zang J，Borthwick A G L，et al.Numerical simulation of non-linear wave interaction with an offshore wind turbine foundation［C］//Proceedings of the Seventh 2006 ISOPE Pacific/Asia Offshore Mechanics Symposium.2006:231-236.

［6］Henderson A R，Zaaijer M B.Hydrodynamic loading on offshore wind turbines［C］//Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference.2004:142-149.

［7］Trumars J M V，Tarp-Johansen N J，Krogh T.The effect of wave modelling on offshore wind turbine fatigue loads［C］//Proceedings of the Offshore Wind Energy Conference.2005.

［8］Veldkamp H F，van Der Tempel J.Influence of wave modelling on the prediction of fatigue for offshore wind turbines［J］.Wind Energy，2005，8(1):49-65.

［9］劉萬(wàn)琨，張志英，李銀鳳，等.風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［10］祖 楠，黃維平.考慮流固耦合時(shí)的海底管道懸跨段非線性動(dòng)力分析［J］.中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，36(1):168-172.

［11］黃維平，曹 靜，張恩勇，等.大柔性圓柱體兩自由度渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究［J］.力學(xué)學(xué)報(bào)，2011，43(2):436-439.

［12］黃維平，趙戰(zhàn)華.一種重力式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的被動(dòng)型防沖刷底座，中國(guó):ZL200910136581.0［P］.2010年10月13日.

［13］黃維平，趙戰(zhàn)華.重力式海上風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，中國(guó):ZL200920270921.4［P］.2009年12月2日.

［14］黃維平，趙戰(zhàn)華.一種鋼-混凝土組合重力式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，中國(guó):ZL200910136582.5［P］.2011年4月13日.

［15］API RP 2A，Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platform-Working Stress Design［S］.2002.

［16］API RP 2FPS，Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing Floating Production Systems［S］.2001.

［17］DNV-OS-C101，Design of Offshore Steel Structures，General(LRFD Method)［S］.2009.

［18］DNV-OS-J101，Design of Offshore Wind Turbine Structures［S］.2004.

［19］DNV-OS-C201，Structurai Design of Offshore Units(WSD)［S］.2008.

Reviews and comments on the design for offshore wind structures

HUANG Wei-ping1，LI Bing-bing2
(1.Shandong Key Laboratory of Offshore Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China;2.Fushun Colliery Institute，F(xiàn)ushun 113008，China)

Based on the state-of-the-art and trends of the offshore wind farm development as well as the problems in the design and R＆D for the offshore wind structure in domestic offshore industry，some key aspects such as concept，method and criterion for the design of offshore wind structures are discussed.The traits of the structure，load and serving of offshore wind structures are analyzed.The differences in the design of offshore wind structures from those of hydraulic structures and offshore oil＆ gas structures are emphasized.Furthermore，which of the two standards of DNV-OS-J101 and API RP 2A that should be referred to for the design of offshore wind structures is recommended based on the differences between offshore wind power industry and offshore oil＆ gas industry，and then the traits，loads and reference standards for the design of offshore wind structures are presented.Finally，the offshore wind structures suitable for domestic coastal conditions and their design problems are proposed.Some problems which should be paid more attention to and have to be avoided in developing offshore wind farms are highlighted.

offshore wind generation;support structure;wind energy generating;structure design

P751;TK89

A

1005-9865(2012)02-0150-07

2011-04-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51079136，51179179)

黃維平(1954－)，男，浙江人，教授，主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)。E-mail:wphuang@ouc.edu.cn